一种多功能智能锚杆的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多功能智能锚杆的制作方法，利用安装在智能锚杆上的光纤光栅传感器测量智能锚杆在不同深度的应变值，从而推算锚杆在不同深度的轴力，从而对锚杆的承载能力以及其锚固力作出判断和评价，同时也能对围岩在荷载等的作用下内部产生变形和位移变化作出一定的判断；本发明的长标距光纤光栅传感器制作工艺简单，造价相比较为低廉。本发明主要通过常用的实心锚杆和由多个长标距光纤光栅传感单元组成的无熔接长标距多光栅传感器并辅以多点温度补偿传感器组成，制作简单，布设方便，有广阔的应用前景和良好的经济效益。
【专利说明】
一种多功能智能锚杆的制作方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种隧道、岩土和边坡工程的锚杆轴力监测系统，具体涉及一种基于长标距光纤光栅的多功能智能锚杆的制作方法。
【背景技术】
[0002]锚杆支护是在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采矿等地下硐室施工中采用的一种加固支护方式。锚杆支护是通过围岩内部的锚杆改变围岩本身的力学状态，在开挖面周围形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护围岩或巷道等稳定的目的。它是一种积极防御的支护方法，是围岩、矿山等支护的重大变革。锚杆不但支护效果好，且用料省、施工简单、有利于机械化操作、施工速度快。因此锚杆已在很多土木、岩土、隧道、采矿等工程中被大量的使用，如基于新奥法的隧道开挖，锚杆使用量动辄几万根，另外如三峡水利工程，亦用了有十几万根各式锚杆。
[0003]随着锚杆支护的广泛使用，对于锚杆在围岩中的受力、承载能力、以及可能的损伤等情况进行实时或定期监测，从而对于围岩的支护情况、稳定情况等作出判断显得尤为重要，且已经成为相关领域的重要课题。目前国内外对于锚杆在围岩支护中的受力、承载、及损伤情况的测试方法基本可归纳为两大类，其中一类是使用测力锚杆、锚杆拉拔计、应变计及应变片通过锚杆“拉拔试验”来测试锚杆在拉拔作用下的受力情况和损伤情况;另一类则采用比较间接的方式，利用电磁波、声波等在不同介质层的反射差异来检测砂浆锚固体的饱和程度，间接评价锚固的受力及损伤情况。但这些方法从总体上看，存在着受环境影响大，耐久性差，长期稳定性差，测试误差大等缺点，对于像岩土、隧道、采矿等环境比较恶劣、施工方式粗放，但测试精度要求高的实际工程应用，其适用性尤显单薄。
[0004]近年来发展起来的光纤传感技术具有耐久性好，性能稳定、抗电磁干扰、便于分布式测量等优点，也对锚杆轴力检测、损伤识别等提出了新的思路。目前已有相关学者基于B0TDR、B0TDA等技术对锚杆支护进行了检测和监测，但是由于目前解调技术的瓶颈限制，其测试精度严重不足;而FBG光栅由于精度高，应变测量能达到Ιμε，而且封装后能防水，耐腐蚀，长期性能比较好，不仅能传感，而且也能用于传输数据，利于组网和实时监测，目前已经被广泛应用于结构的健康监测中。大连理工大学等也将光栅测试技术在锚杆监测方面作了很多有益的工作，但是都是基于点式应变测试，只能得到非常局部的应变情况，但很难准确地描述尺度比较大的锚杆全长的受力和变形状况，不能对锚杆的损伤给出有效的判断。总的来说，目前的测试方法存在以下几个问题，1.单纯而简单得应用光纤和光栅技术，往往由于不仅其传感部分，而且其引线都容易损坏，不能适应这些实际工程粗放式的施工环境;2.锚杆结构尺度大，损伤分布范围广，传统的点式传感很难准确得捕捉到损伤;3.传统的监测往往都忽视锚杆不同深度的应力应变变化，而实际围岩由于围岩在荷载作用之下产生形变，或者是机械开挖和爆破的原因，往往在靠近开挖面的岩层会出现一些碎裂，在围岩受力作用下，其内部将出现内力重分布，因此在锚杆不同深度的位置上，其应力应变很可能是不同的；4.目前的光纤分布式测试技术由于技术上的瓶颈问题，精度太低，实用性小；5.传统的光栅测试，都是基于光栅与光栅间引线的熔接串联来实现的，但是光纤的熔接更易造成损坏断裂，且大大地增加其光损，从而影响其测试性能;6.传统的基于点式测试方式，只能获得该点的应变，无法获得锚杆的位移。
[0005]为了提高结构应变测试的真实性、可靠性以及噪声鲁棒性，东南大学已开发出了长标距光纤光栅应变传感器，并成功运用于结构的健康监测中。基于光纤光栅的各类传感器的开发正在大力推进中，但基于光纤光栅对于锚杆及围岩监测的研究目前还很少。目前基于光栅的测试都是基于点式应变测试的方法，对于利用长标距光纤光栅进行锚杆承载情况、应力应变情况、以及损伤探测等研究在国内外检索尚无相关专利及相关文献。
【发明内容】
[0000]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有尚精确度、尚耐久性、结构简单、造价低廉的基于长标距光纤光栅智能锚杆的制作方法。
[0007]本发明采用的技术方案为:一种多功能智能锚杆，包括无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、环氧树脂或植筋胶、铠装光缆和软塑料套管；
[0008]所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器安装在锚杆沿纵向所开的小槽内，并通过环氧树脂或植筋胶封装；
[0009]所述无熔接长标距多光栅传感器包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，所述长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的两端分别固定在套管的锚固段；
[0010]所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的一端固定在套管的锚固段，另一端自由，套管两端封闭；
[0011]所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器分别与铠装光缆连接，从锚杆内引出，所述铠装光缆穿于软塑料套管之中。
[0012]上述一种多功能智能锚杆的制作方法，包括以下几个步骤:
[0013](I)制作无熔接长标距多光栅传感器
[0014](al)在一根单模光纤上根据实际工程需求设计并刻写多个一定间距且不同波长的光栅；
[0015](a2)选用一个细的光滑套管，内口径比光纤略粗，根据工程测试要求设计出每个光栅的锚固点位置，并在套管上根据锚固位置切出多个缺口，穿入带有多个光栅的单模光纤，调整光栅与套管缺口的位置；
[0016](a3)将光纤两端通过牵引装置施加一定的预应力，同时在套管缺口处注入固结胶水形成锚固，固结后将牵引装置放开，从而封装出含多个连续的长标距光纤光栅传感单元且没有熔接点的长标距多光栅传感器；
[0017](a4)对于每个长标距光纤光栅传感单元来说，套管内的光纤的两端分别通过固结胶与套管相固定，其余部分的光纤则与套管内壁无接触或虽有轻微接触，但摩擦力极小可忽略；
[0018](a5)在套管外面进一步包裹复合材料并浸润环氧树脂，进行无熔接长标距多光栅传感器本身的一体化封装加固；
[0019](2)制作多点温度补偿辅助传感器
[0020](bl)在一根单模光纤上根据实际工程需求设计并刻写多个一定间距且不同波长的光栅;这些光栅的位置设计可以与无熔接长标距多光栅传感器中的多个光栅一一对应，或者按照沿锚杆长度进行温度插值的思想进行温补光栅位置设计;这些光栅的波长不仅在温度补偿传感器内不能有相同，且与无熔接长标距多光栅传感器之中的光栅波长亦不能有相同的波长；
[0021](b2)选用一个细的光滑套管，内口径比光纤略粗，在套管的一层用胶封闭，将刻好的多光栅两端尾纤的某一端剪短，然后插入套管内，使其中的光栅的位置处于设计好的某个位置附近，且剪短尾纤侧的尾纤缩在套管内部且距离套管尾部有一定距离，此距离以此尾纤不会碰到套管尾部封装的胶水为原则，然后在套管两端处注入少许固结胶水，使之封闭形成一个含多个光栅的温补传感器。
[0022](b3)对于封装于套管内的带多个光栅的光纤尾纤，其一端缩在套管内完全自由，另一端与套管固结并作为引出线引出，光纤在套管内能完全自由滑动；
[0023](b4)在套管外面进一步包裹复合材料并浸润环氧树脂，进行温度补偿辅助传感器本身的一体化封装加固；
[0024](3)制作多功能智能锚杆
[0025](Cl)选用实体锚杆，并沿纵向开一个小槽;准备两根长度适中的铠装光缆，并穿于一根直径与硬度适中的软塑料套管之中，铠装光缆比软塑料套管略长，两头露出；
[0026](c2)将制作好的无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器固定于锚杆所开的小槽内，并分别用铠装光缆连接，从锚杆内引出;无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器分别与铠装光缆进行熔焊的熔焊接头位于锚杆小槽内，且铠装光缆在小槽内保留具有能起到锚固作用的长度，这样封装后外部光缆的受力不会导致内部传感器受力；
[0027](c3)在锚杆小槽内注入环氧树脂或植筋胶至填平，将无熔接长标距多光栅传感器和多点温度补偿辅助传感器与锚杆封装为一体，形成最终的多功能智能锚杆。
[0028]本发明的有益效果:
[0029](I)本发明的智能锚杆原理简单可靠，测试方法新颖巧妙。本发明主要是利用安装在智能锚杆上的光纤光栅传感器测量智能锚杆在不同深度的应变值，从而推算锚杆在不同深度的轴力，从而对锚杆的承载能力以及其锚固力作出判断和评价，同时也能对围岩在荷载等的作用下内部产生变形和位移变化作出一定的判断；
[0030](2)本发明的长标距光纤光栅传感器制作工艺简单，造价相比较为低廉。本发明主要通过常用的实心锚杆和由多个长标距光纤光栅传感单元组成的无熔接长标距多光栅传感器并辅以多点温度补偿传感器组成，制作简单，布设方便，有广阔的应用前景和良好的经济效益；
[0031](3)本发明的无熔接长标距多光栅传感器由多个串联的长标距光纤光栅传感单元组成，因此不仅能测量不同深度的锚杆的应变和轴力情况，还能测量锚杆轴向的变形量，获取围岩等的沉降或滑移的位移
[0032](4)本发明的无熔接长标距多光栅传感器，由刻写在一根光纤上的多个裸光栅封装而成，因此各个传感单元相互之间自然连接，无需熔接，避免了光纤熔接处光损大，容易断的缺点；
[0033](5)由于本发明的无熔接长标距多光栅传感器本身采用了复合材料和环氧树脂封装，其耐水防锈、耐腐蚀等性能优越，且不怕电磁屏蔽和干扰，与锚杆一体化封装以后更是能适用于环境侵蚀，具有很好的耐久性和广泛的适用性；
【附图说明】
[0034]图1为本发明的多功能智能锚杆构造示意图；
[0035]图2为图1的纵向剖视图；
[0036]图3为图1的横向剖视图；
[0037]图4为本发明的无熔接长标距多光栅传感器示意图；
[0038]图5为本发明的多点温度补偿辅助传感器的示意图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0040]如图1-5所示，一种多功能智能锚杆，包括无熔接长标距多光栅传感器1、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2、环氧树脂或植筋胶3、铠装光缆4和软塑料套管5;
[0041]所述无熔接长标距多光栅传感器I和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2安装在锚杆6沿纵向所开的小槽内，并通过环氧树脂或植筋胶3封装；
[0042]所述无熔接长标距多光栅传感器I包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，所述长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的两端分别固定在套管的锚固段；
[0043]所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的一端固定在套管的锚固段，另一端自由，套管两端封闭；
[0044]所述无熔接长标距多光栅传感器I和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2分别与铠装光缆4连接，从锚杆6内引出，所述铠装光缆4穿于软塑料套管5之中。
[0045]上述一种多功能智能锚杆的制作方法，包括以下几个步骤:
[0046](I)制作无熔接长标距多光栅传感器
[0047](al)在一根单模光纤上根据实际工程需求设计并刻写多个一定间距且不同波长的光栅；
[0048](a2)选用一个细的光滑套管，内口径比光纤略粗，根据工程测试要求设计出每个光栅的锚固点位置，并在套管上根据锚固位置切出多个缺口，穿入带有多个光栅的单模光纤，调整光栅与套管缺口的位置；
[0049](a3)将光纤两端通过牵引装置施加一定的预应力，同时在套管缺口处注入固结胶水形成锚固，固结后将牵引装置放开，从而封装出含多个连续的长标距光纤光栅传感单元且没有熔接点的长标距多光栅传感器；
[0050](a4)对于每个长标距光纤光栅传感单元来说，套管内的光纤的两端分别通过固结胶与套管相固定，其余部分的光纤则与套管内壁无接触或虽有轻微接触，但摩擦力极小可忽略；
[0051](a5)在套管外面进一步包裹复合材料并浸润环氧树脂，进行无熔接长标距多光栅传感器本身的一体化封装加固；
[0052](2)制作多点温度补偿辅助传感器
[0053](bl)在一根单模光纤上根据实际工程需求设计并刻写多个一定间距且不同波长的光栅;这些光栅的位置设计可以与无熔接长标距多光栅传感器中的多个光栅一一对应，或者按照沿锚杆长度进行温度插值的思想进行温补光栅位置设计;这些光栅的波长不仅在温度补偿传感器内不能有相同，且与无熔接长标距多光栅传感器之中的光栅波长亦不能有相同的波长；
[0054](b2)选用一个细的光滑套管，内口径比光纤略粗，在套管的一层用胶封闭，将刻好的多光栅两端尾纤的某一端剪短，然后插入套管内，使其中的光栅的位置处于设计好的某个位置附近，且剪短尾纤侧的尾纤缩在套管内部且距离套管尾部有一定距离，此距离以此尾纤不会碰到套管尾部封装的胶水为原则，然后在套管两端处注入少许固结胶水，使之封闭形成一个含多个光栅的温补传感器。
[0055](b3)对于封装于套管内的带多个光栅的光纤尾纤，其一端缩在套管内完全自由，另一端与套管固结并作为引出线引出，光纤在套管内能完全自由滑动；
[0056](b4)在套管外面进一步包裹复合材料并浸润环氧树脂，进行温度补偿辅助传感器本身的一体化封装加固；
[0057](3)制作多功能智能锚杆
[0058](Cl)选用实体锚杆，并沿纵向开一个小槽;准备两根长度适中的铠装光缆，并穿于一根直径与硬度适中的软塑料套管之中，铠装光缆比软塑料套管略长，两头露出；
[0059](c2)将制作好的无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器固定于锚杆所开的小槽内，并分别用铠装光缆连接，从锚杆内引出;无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器分别与铠装光缆进行熔焊的熔焊接头位于锚杆小槽内，且铠装光缆在小槽内保留具有能起到锚固作用的长度，这样封装后外部光缆的受力不会导致内部传感器受力；
[0060](c3)在锚杆小槽内注入环氧树脂或植筋胶至填平，将无熔接长标距多光栅传感器和多点温度补偿辅助传感器与锚杆封装为一体，形成最终的多功能智能锚杆。
[0061]本发明的多功能智能锚杆的工作原理如下:是将含有多个传感单元的长标距光纤光栅传感器安装并封装于锚杆之内，因此锚杆因受力而引起的应变将被长标距光纤光栅传感器的所有传感单元捕捉，由于有多个传感单元，因此能捕捉到锚杆不同位置的应变，继而推算出锚杆在不同位置的应力以及承载情况。同时，可根据锚杆长度方向的长标距应变分布，在可不计其弯曲影响时，可以获得其沿轴向方向的位移。对于围岩来讲，特别是对于新奥法隧道开挖等用爆破等手段开挖的时候，会使得岩层出现一定程度的破碎，因此加入锚杆进行支护后，在不同深度的应力应变也将不同，因此本发明的智能锚杆能比较准确得反映出由于岩层内部内力重分布而引起的应力不均情况，从而能准确得反映锚杆真实的受力及承载支护情况。多个智能锚杆布置在围岩的不同位置，可以用来监测该区域的锚杆承载情况，以及围岩支护和稳定情况，这对围岩监测非常重要。
[0062]应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
【主权项】
1.一种多功能智能锚杆的制作方法，其特征在于:该多功能智能锚杆包括无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、环氧树脂或植筋胶、铠装光缆和软塑料套管； 所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器安装在锚杆沿纵向所开的小槽内，并通过环氧树脂或植筋胶封装； 所述无熔接长标距多光栅传感器包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，所述长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的两端分别固定在套管的锚固段； 所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的一端固定在套管的锚固段，另一端自由，套管两端封闭； 所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器分别与铠装光缆连接，从锚杆内引出，所述铠装光缆穿于软塑料套管之中； 上述一种多功能智能锚杆的制作方法，包括以下几个步骤: (1)制作无熔接长标距多光栅传感器 (al)在一根单模光纤上根据实际工程需求设计并刻写多个一定间距且不同波长的光栅； (a2)选用一个细的光滑套管，内口径比光纤略粗，根据工程测试要求设计出每个光栅的锚固点位置，并在套管上根据锚固位置切出多个缺口，穿入带有多个光栅的单模光纤，调整光栅与套管缺口的位置； (a3)将光纤两端通过牵引装置施加一定的预应力，同时在套管缺口处注入固结胶水形成锚固，固结后将牵引装置放开，从而封装出含多个连续的长标距光纤光栅传感单元且没有熔接点的长标距多光栅传感器； (a4)对于每个长标距光纤光栅传感单元来说，套管内的光纤的两端分别通过固结胶与套管相固定，其余部分的光纤则与套管内壁无接触或虽有轻微接触，但摩擦力极小可忽略；(a5)在套管外面进一步包裹复合材料并浸润环氧树脂，进行无熔接长标距多光栅传感器本身的一体化封装加固； (2)制作多点温度补偿辅助传感器 (bl)在一根单模光纤上根据实际工程需求设计并刻写多个一定间距且不同波长的光栅;这些光栅的位置设计可以与无熔接长标距多光栅传感器中的多个光栅一一对应，或者按照沿锚杆长度进行温度插值的思想进行温补光栅位置设计;这些光栅的波长不仅在温度补偿传感器内不能有相同，且与无熔接长标距多光栅传感器之中的光栅波长亦不能有相同的波长； (b2)选用一个细的光滑套管，内口径比光纤略粗，在套管的一层用胶封闭，将刻好的多光栅两端尾纤的某一端剪短，然后插入套管内，使其中的光栅的位置处于设计好的某个位置附近，且剪短尾纤侧的尾纤缩在套管内部且距离套管尾部有一定距离，此距离以此尾纤不会碰到套管尾部封装的胶水为原则，然后在套管两端处注入少许固结胶水，使之封闭形成一个含多个光栅的温补传感器。 (b3)对于封装于套管内的带多个光栅的光纤尾纤，其一端缩在套管内完全自由，另一端与套管固结并作为引出线引出，光纤在套管内能完全自由滑动； (b4)在套管外面进一步包裹复合材料并浸润环氧树脂，进行温度补偿辅助传感器本身的一体化封装加固； (3)制作多功能智能锚杆 (Cl)选用实体锚杆，并沿纵向开一个小槽;准备两根长度适中的铠装光缆，并穿于一根直径与硬度适中的软塑料套管之中，铠装光缆比软塑料套管略长，两头露出； (c2)将制作好的无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器固定于锚杆所开的小槽内，并分别用铠装光缆连接，从锚杆内引出；无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器分别与铠装光缆进行熔焊的熔焊接头位于锚杆小槽内，且铠装光缆在小槽内保留具有能起到锚固作用的长度，这样封装后外部光缆的受力不会导致内部传感器受力； (c3)在锚杆小槽内注入环氧树脂或植筋胶至填平，将无熔接长标距多光栅传感器和多点温度补偿辅助传感器与锚杆封装为一体，形成最终的多功能智能锚杆。
【文档编号】G01B11/16GK106017523SQ201610560845
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】万春风, 赵学亮, 夏呈
【申请人】东南大学